掩模清洗機加熱系統控制及故障排除

陳 卓，嚴劍蔭

(無錫中微掩模電子有限公司，江蘇無錫214035)

1 清洗機簡介

掩模清洗是掩模生產過程中的重要工序，尤其對于高階掩模，最終清洗設備更是提供客戶零缺陷產品的關鍵設備。

Akrion清洗機由美國Akrion公司生產，是用于5～7英寸BIM及PSM掩模的去膠及最終清洗的全自動設備。此系統共設置7個清洗槽（Tank），分別承擔了SPM、APM、QDR、DIO3和LuCID Dry，根據不同的工藝需求設置了相應的酸、堿、純水、臭氧和氮氣加熱控制單元。整個系統采用計算機及可編程模塊實現全自動監測與控制。

2 計算機及Genius I/O控制系統

Genius I/O美國GE公司的可編程控制產品（見圖1）。是連接清洗機與計算機之間的一個I/O，是發送和接收總線來的信息的智能單元，用于監控清洗機工作。有以下幾部分組成：通訊總線；PCIM卡；Genius I/O模塊；手持監控器（HHM）。通訊總線通過三線電纜（一屏蔽線）進行數據傳送，所有總線上的模塊唯一編址，每個總線通道可編32個地址（0-31），共有兩個通道。手持監控器（HHM）可連接到任意一個I/O模塊上監控設備工作狀態。清洗機的機械運動、超聲清洗、臭氧等是通過計算機串口控制，本文不討論。

整個總線串行連接最后一個模塊有一個終結電阻（見圖 2）。

圖1 Genius I/O控制系統

圖2 總線連接圖

I/O模塊在總線中傳遞一個令牌，令牌在地址0到地址31中按順序傳遞，這個傳遞順序叫總線掃描。

輸入的模塊連續的監視從它的輸入設備來的數據并更新它的通訊數據。當模塊拿到總線的令牌時，它會廣播它所有當前的輸入數據?？偩€控制器保存這個數據，將它轉換為CPU可用的數據。沒有輸入的模塊收到令牌時也廣播一個信息，告訴總線控制器它收到了數據并處于在線狀態。例如：Genius I/O模塊收到來自清洗機液位傳感器的一個令牌（token硫酸加液到位）將它發送給PCIM卡。

當應用程序執行時，CPU發送輸出和其它的命令到總線控制器。總線控制器保存這個數據直到它收到總線令牌。接下來，它將輸出數據傳送到總線上的每個模塊，將命令傳到相應的設備。沒有輸出的模塊也會在拿到令牌時接收到從總線控制器來的一個空信息。這使模塊告訴CPU它處于在線狀態，并在用來檢測通訊丟失信息。例如Genius I/O模塊收到CPU通過PCIM卡發來的令牌：打開加熱電路或運行加熱循環泵，然后執行它。

清洗機共有3種Genius I/O模塊：Sink I/O模塊、模擬I/O模塊和RTD輸入模塊。加熱控制電路是由Sink I/O模塊控制完成的，它接受或提供一個二進制的信號，有兩種狀態0（0 V）,1（24 V）。例如：加熱器開，關；閥打開，閥關閉；探測有液位，無液位。另外，非常重要的是Sink I/O模塊是提供一個地Cmmon(-)的路徑。也可以說I/O激活起作用時是接地的。

3 氮氣加熱控制

氮氣加熱系統是用于掩模產品清洗完成后將產品烘干處理。

3.1 加熱倉及加熱部件

高流量的高純氮氣穿過加熱倉經過過濾器送到噴霧輸出端。加熱盒中的氮氣吹掃是為了隔熱保護加熱倉，它的輸出直接送設備排氣管。3kW電阻型加熱器包在不銹鋼金屬保護罩內用于加熱超純氮氣到160℃（不可調）。熱電偶1在加熱倉內用于監控氮氣加熱溫度。熱電偶2在加熱器體內也報告給智能溫控器用于超溫保護（見圖 3）。

圖3 氮氣加熱原理

3.2 加熱安全控制電路

3.2.1 安全電路

它的作用是在異常情況下切斷主回路電源。繼電器K1控制并提供AC主回路電源，并由K2控制。安全電路監控：加熱器溫度、氮氣泵條件、液位。如果這些條件有一個不滿足，超出設定安全范圍，K1將打開，切斷主回路加熱器的電源供給，避免不安全的事故發生，保護設備。K16和超純氮氣加熱超溫熱電偶：如發生超溫K16打開，切斷主加熱回路。K14和超純氮氣壓力開關：壓力開關在氮氣供給加熱器管路監控壓力，一旦壓力喪失壓力開關打開K14,切斷主加熱回路。

圖4 氮氣加熱安全電路

3.2.2 控制電路

加熱控制是通過智能溫度控制器完成的，加熱指令通過I/O模塊發出使K15閉合，通過溫度控制器接收熱電偶來的溫度傳感信號根據PID自動計算輸出PID脈沖驅動固態繼電器輸出控制，如果沒到設置溫度160℃，K17無輸出，I/O點為高電平，如加熱溫度達到了設置點，K17閉合送低電平給I/O(Heater At Temp)。

4 化學藥品加熱溫度控制

（1）幾個Tank都有不同溫度的化學藥品加熱，加熱的溶液不同，它們的工藝參數不同，溫度設置也不同，不同的工藝還可隨時用軟件更改加熱的溫度。加熱的溫度是通過計算機PID控制經過I/O實現的（見圖6）。但加熱控制原理是相同的。

圖5 加熱控制電路

圖6 加熱控制原理

（2）加熱脈沖的加熱周期。固態繼電器（SSR）通過打開或關閉觸點來控制加熱器的溫度。Genius I/O模塊發出脈沖信號反映了要加溫或者保持溫度。加熱周期由實際的處理溫度與設置點的溫度和TANK的PID決定。當加熱周期是100%時SSR總是閉合加熱器總是開，允許不間斷電流通過，得到最大輸出功率。當溫度上升到工藝溫度附近時，加熱周期降低到100%以下時使SSR打開一會兒、閉合一會兒，使得加熱器開一會兒、關一會兒，這就是脈沖加熱。脈沖加熱使得工藝溫度不會過沖設置點。當溶液溫度非常接近設置點的溫度時，加熱脈沖周期非常低，剛好保持工藝溫度。見圖7。

圖7 加熱脈沖占空比

加熱周期是脈沖方波由兩個因素決定：脈沖寬度，脈沖重復率。對清洗機來說脈沖寬度是固定的，而脈沖重復率是可變的。高重復率導致高的加熱脈沖周期。

（3）電流監控器（Current Monitor）或者叫電流傳感器。主負載電流線穿過電流監控器時它能輸出直流脈沖（24 V），正像鉗表鉗AC電流一樣。當流過電流監控器的電流超過3 A以上時它打開，它送一個“Currentmonitor ON”信號通過I/O點（HTR-SSR-FLR)發回到清洗機的計算機。在加熱周期20%以上時，計算機尋找這個信號。如果計算機沒發現這ON信號，計算機輸出出錯信息，I/O點（HTR-TMR-STR）不使能安全電路，去掉觸發安全脈沖。I/O點（HTR-ON/OFF）關掉SSR。最終停止加熱。

（4）安全電路。當化學循環泵已啟動并按下加熱按鈕時，Genius I/O模塊發出：HTR-TMR-STR信號（每0.5 s發出一個接地脈沖）這是安全定時器使能信號，它使K5導通，連續觸發安全定時器TMR1.而TMR1每一次被觸發都延時10 s左右。如果 OT1、OT2、PSI、MA5、LEVEL SNS 都正常接地閉合，TMR1觸發 K2，K2觸發 K1，K1接通加熱器主回路。在正常情況下連續的HTR-TMR-STR信號（每0.5 s發出一個接地脈沖）確保了主回路接通，一旦出現異常，10 s延時切斷主回路，保證器件和設備安全。例如：加熱溫度已到設置點，脈沖加熱是0%周期，此時計算機不檢測電流監控器，如果此時主回路或SSR短路，則電流監控器輸出為24 V電平，報告給I/O模塊，I/O則關HTR-TMR-STR，關HTR-ON/OFF。立即停止加熱，10 s延時切斷主回路電源。

(5)各種繼電器、開關、監控器等。OT1，OT2是超溫監控器。PSI是化學循環泵的壓力開關。泵啟動時壓力開關閉合。無空氣壓力操作泵，關加熱器。MA5延時繼電器，通過泵流量傳感器觸發。延時3～5 s，如無流動的溶液在加熱管路線上，MA5不使能，關加熱器。

LEVEL SNS液位傳感器探測到液體，K4觸發。否則，關加熱器。

5 故障的排查

5.1 一般故障排查

由于加熱系統有高溫化學溶液及大電流的存在，維修時要注意安全，避免人身傷害。在電路排查時要充分利用Sink I/O模塊特點：I/O激活起作用時是接地的。另外，也可利用手持監控器來監控I/O狀態，排查故障。見表1。

表1 一般故障排查表

5.2 利用手持監控器排查

屏蔽計算機。由于加熱電路中存在著電流監控器反饋電路，如果加熱輸出信號HTR-ON/OFF與電流監控器反饋信號HTR-SSR-FLR不一致，計算機會立即發停止加熱命令，這給故障排查帶來不便。電路一跳停，無從檢查。屏蔽計算機即欺騙計算機。在短期內讓I/O一直全功率加熱，這樣容易暴露問題。

在加熱周期達到25%以前用手持監控器force'HTR-CRK-FLT'到邏輯“0”，這時計算機將連續驅動加熱器電路，即使計算機沒有探測到電流。根據電路圖依次檢查OT1，OT2，PSI，MA5，LEVEL SNS。然后根據表2所示方法進行檢查。

6 故障排查應用實例

（1）超純氮氣加熱時超溫，電路跳停。首先檢查安全電路各控制點、繼電器，檢查K15及主回路繼電器K1，基本正常。在接近設置溫度時檢查智能溫控器輸出有無脈沖：有。用AC鉗表檢查有無間斷的交流電流：連續交流，不間斷。判斷固態繼電器觸點短路，更換后正常。

（2）硫酸加熱啟動后立即跳停。重點檢查安全電路、依次檢查 OT1，OT2，PSI，MA5，LEVEL SNS、I/O模塊、主回路繼電器K1基本正常。用持監控器force'HTR-CRK-FLT'回路能夠全功率加熱。后拆下固態繼電器加直流加假負載證明SSR也是好的。更改溫度設置點將設置溫度降低到溶液當前溫度附近時監測AC電流：低加熱脈沖周期時能加熱，加熱周期百分比稍加大馬上跳停。根據上述電路及原理分析：在加熱周期20%以下時計算機不檢測電流監控器輸入，當加熱脈沖周期加大時，發現輸出與反饋輸入脈沖不一致所以跳停。更換電流監控器，故障排除。

（3）加熱TANK跳停，時好時壞。用上述方法檢測電路。發現電流監控器輸出只有14 V拆掉電流監控器輸出線測量I/O點仍14 V。判斷：I/O模塊壞。拆下分離其電子端子板與電子基板。發現端子板上一端子二極管軟擊穿更換后恢復。

表2 電路故障排查表

（4）某TANK的I/O模塊I/O使能燈閃爍，說明回路有強制狀態。

發現端子電壓不對，進一步查出I/O壞。每一個TANK的I/O都有自己的CONFIGURATION（配置）在EEPROM中。如有兩TANK的CONFIGURATION相同，可以拷貝復制。更換新I/O模塊，先定義新模塊的地址后用手持監控器拷貝CONFIG后修復。

7 結束語

本文對清洗機的原理及應用實例進行了深入淺出的分析，總結出了一些行之有效的故障解決方法，積累了寶貴的經驗。希望能對同行在維修此類設備時有一定的實用價值。對快速診斷、及時修復，保證生產線的暢通，創造條件。